Новые технологии дорожного строительства, несмотря на консерватизм отрасли, регулярно находят практическое применение в различных странах и условиях внешней среды. Причем нововведения касаются сразу всех сфер процесса возведения: и самих технологий, и материалов. Не остается в стороне инфраструктура, которая прямым образом влияет на безопасность передвижения.
США, Китай, Нидерланды, Германия – вот далеко неполный список стран, которые предлагают новые пути в сфере дорожного строительства. Несмотря на то, что дороги в РФ принято (и зачастую по делу) ругать, Россия тоже имеет положительный опыт внедрения новшеств. В нашей статье мы расскажем, какие технологии и материалы считаются передовыми, как помогает цифровизация в строительстве дорог и какие подходы используются в отечественной практике.
Проблема качества российских дорог
Плохое состояние российских дорог связано с целым рядом трудноразрешимых проблем:
- Нормативная база значительно устарела, что не позволяет дорожно-строительным компаниям внедрять современные технологии строительства, улучшающие эксплуатационные качества автодорог и продляющие их срок службы.
- В отрасли дорожного строительства процветает коррупция, из-за которой теряется 10-15 % выделенных из бюджета средств. Некоторые заявляют о большем проценте хищений, однако это заблуждение, так как проводимые госзакупки контролируются большим числом надзорных органов.
- Выпускается битум низкого качества, изготавливаемый из отходов нефтяной промышленности. Качество это материала в последнее время начало расти, но объемы выпускаемой продукции пока слишком малы.
- Нагрузки на существующую сеть автодорог значительно превышают нормативные. Построенные дороги оказались не рассчитаны на эксплуатацию большого потока автомобилей, а также тяжелой техники. Из-за этого покрытие автотрасс быстро теряет свои качества и разрушается.
- Внедряемые новые технологии дорожного строительства массово нарушаются. Укладка асфальтобетона производится с нарушением температурного режима и требований плотности.
- Важным фактором плохого качества дорог является недостаточное и несвоевременное финансирование. Часто деньги на укладку дорожно покрытия выделяют к началу дождей или к формированию снежного покрова. Подрядчики вынуждены тратить выделенные средства, поскольку их объем в следующем году будет сокращен.
- Наконец, последней причиной стоит назвать некачественное обслуживание и ремонт автодорог. Для сохранения качества необходимо регулярно чистить дорожное полотно и ремонтировать возникающие в нем ямы. В реальности же эти работы выполняются несвоевременно и недобросовестно, что приводит к известным проблемам.
Обзор американских и европейских технологий дорожного строительства
- Технологии США
Многие туристы из России, проехав по знаменитым межштатным магистралям, не скрывают своего восхищения американскими дорогами. Именно технологии США в области строительства скоростных автомагистралей заимствует сегодня множество стран мира. В чем же особенность этих дорог?
Началось все с того, что однажды власти США решили максимально ответственно подойти к дорожному строительству и провести очень дорогие исследования в этой области. Средства, вложенные в инженерные разработки и в строительство автомагистралей, окупились с лихвой. На сегодняшний день США обладают самой развитой в мире системой межштатных магистралей, которая отвечает высочайшим стандартам качества.
Американские дороги федерального значения прокладываются по технологии, отработанной десятилетиями. Благодаря используемому в строительстве цементобетону создается высокопрочное и долговечное покрытие, которое при этом весьма неприхотливо к транспортным нагрузкам.
Для формирования дорожной подушки применяется в основном смесь гравия, глины и песка. Каждый слой такого основания тщательно трамбуется и обрабатывается специальными реагентами, которые стабилизируют процентное содержание воды в основании. Таким образом исключается проседание подушки в течение всего срока эксплуатации дороги. Затем сформированное основание покрывается двумя слоями асфальта, на который монтируется арматура и заливается бетонная смесь финишного покрытия.
Безусловно, такое качество обходится государству весьма дорого. Для сравнения: 1 км федеральной трассы в России будет стоить порядка 47-48 млн рублей, а межштатной магистрали в США в пересчете на местную валюту — около 270 млн рублей. По этой колоссальной разнице можно сравнивать качество российских и американских скоростных дорог.
- Технологии Европы
Европейские дороги строятся в основном по более консервативным технологиям. Несмотря на это, автодороги Португалии, Австрии, Франции и Нидерландов находятся на 2-5 местах соответственно в рейтинге самых качественных автомагистралей. А первую строчку заслуженно занимают немецкие автобаны.
Новые технологии дорожного строительства, принятые в Европе, в основном похожи на таковые в Америке. Главное отличие заключается в гораздо более мощной дорожной подушке под асфальтовое покрытие, достигающей двухметровой толщины. Это основание формируется несколькими слоями из различных материалов и слоем бетона. Затем укладывается асфальт.
Строительные работы выполняются со свойственной европейцам кропотливостью. Сами граждане бережно относятся к дорогам, по которым они ходят и ездят. Обслуживание автодорог и постоянный надзор также ведутся в соответствии с высокими требованиями качества. Оценивается техническое состояние дорожного полотна, контролируются нагрузки на покрытие.
Новые технологии дорожного строительства
- Использованные шины
Наибольший интерес вызывают технологии, позволяющие использовать вторичное сырье. В дорожном строительстве характерным примером является изготовление резиноасфальта — материала, включающего в себя резиновую крошку от старых шин. Этот тип асфальта обеспечивает великолепное сцепление в любых климатических условиях. Среди остальных положительных качеств: существенно сниженный шум, уменьшение тормозного пути, высокая прочность, устойчивость к образованию колеи. К тому же за счет вторичного использования старых шин решается и проблема их утилизации. В США, например, последний фактор играет особенную роль, ведь за один год в стране скапливается порядка 300 миллионов использованных покрышек.
Именно в Америке данная технология используется уже на протяжении 30 лет. Позднее производство резиноасфальта было налажено в странах Европы и в Израиле — там также проблема утилизации старых шин стоит весьма остро. Но несмотря на столь важное значение для экологии подобным образом вторично используется лишь одна десятая всех имеющихся изношенных покрышек. Причин этому несколько: технологическая сложность и дороговизна производства, жесткое лобби производителей стандартного асфальтобетона.
Американская технология состоит в следующем. Старые шины укладываются в основание будущей автотрассы. Затем с покрышек срезаются боковые поверхности. Полученные элементы скрепляются между собой, образуя сеть из круглых ячеек. В данные ячейки засыпается щебень. Это дает существенное увеличение прочности и, вместе с тем, снижение стоимости строительства в 2 раза. В нашей стране данная технология вряд ли будет применяться в ближайшее время по вышеназванным причинам.
- Вторсырье
Проблемой использования вторсырья озаботились и в Китае в провинции Шаньси. Там было построено скоростное шоссе длиной 122 км, для сооружения основания которого использовали 6 млн тонн строительного мусора. Это дало возможность сэкономить около 47 млн долларов, 3,4 млн куб. метров песка и 32 тонны угля. Положительный эффект был достигнут и для экологии региона. Благодаря вторичному использованию строительных отходов освободили площадь для их захоронения, равную 200 гектаров.
Больший интерес вызывает технология холодного рециклинга. Она основана на использовании переработанного старого асфальта. В частности, срезается слой такого покрытия, измельчается в крошку и перемешивается со связующим составом. Из полученного материала формируют новое покрытие сразу на месте работ. Такая экологичная технология была продемонстрирована в Хабаровске руководству Росавтодора. Сегодня многие российские дорожно-строительные компании стремятся сэкономить на материалах до 40%, добавляя в новое покрытие снятый старый асфальт. И все же, несмотря на очевидные преимущества, технология холодного рециклинга пока в России применяется мало.
- «Умная» разметка
На юге Нидерландов проходит испытание специальная разметка, которая светится, реагируя на изменение температуры. Подобную идею подхватили в Великобритании. Там тестируют светящуюся разметку, накапливающую энергию в светлое время суток для того, чтобы светиться ночью. Чем темнее ночь, тем более ярким предполагается свечение.
Среди других прогрессивных идей стоит отметить так называемые «умные» дороги. На них загораются предупреждающие надписи в момент, когда соответствующие участки переходят люди или животные. Проблема экономии электроэнергии сегодня волнует многих, поэтому возникают идеи оснащения трасс солнечными панелями, встроенными в дорожное покрытие. Полученная энергия будет использоваться для освещения и для зарядки электромобилей бесконтактным способом. Подобное дорожное покрытие было реализовано в штате Айдахо. Оно способно выдерживать тяжелую технику массой до 115 тонн.
Наконец, внедряется технология, позволяющая экономить на стоимости строительных работ и снижать вредные выбросы в атмосферу за счет использования энергосберегающего полотна из низкотемпературного асфальта. Эту идею продвигают компании британские Carbon Trast и Lafarge Tarmac.
Инновационные технологии в обслуживании дорог
1. Автодороги из пластика
Организация WWF заявляет, что 8% всех выбросов углекислого газа дают производители бетона. Это материал изготавливается из известняка, гранита, песка и других наполнителей, которые смешиваются со связующим веществом (цемент, битум и др.). Проблему экологичности можно решить, заменив данное сырье пластиковыми отходами. Конечный продукт будет пригоден:
- для строительства автодорог с нуля;
- для ремонта имеющихся трасс;
- для полной замены дорожного покрытия.
Пластиковое вторсырье уже на протяжении многих лет используется в Индии и Великобритании. Так, индийцы заполняют составом на основе пластика небольшие дорожные ямы, а британцы пошли еще дальше — они по специальной технологии преобразуют пластик в гранулы, которые добавляются в асфальт, за счет чего в смеси снижается доля природных связующих веществ. К тому же у готового покрытия заметно повышается прочность, увеличивается долговечность. Для производства тонны такого асфальта необходимо лишь 5-10 кг пластиковых гранул.
Разработки также ведутся в направлении сборных пластиковых модулей. Эти блоки вчетверо легче асфальта аналогичного объема и втрое долговечнее. Возводятся «пластиковые» автодороги на 70% быстрее, чем классические асфальтобетонные. Кроме того, внутри данных модульных конструкций предусмотрены каналы для прокладки различных коммуникаций, что дает возможность отказаться от трудоемких земляных работ, скапливать избыточную влагу и предотвращать затопления в период сильных дождей.
Но у пластика есть существенный недостаток: он вреден для окружающей среды. Покрытие в процессе эксплуатации постепенно разрушается, микроскопические пластиковые частицы попадают во внешнее пространство, негативно воздействуя на природу и здоровье людей.
2. Электросистемы снеготаяния
Продолжительная и снежная зима может доставить массу проблем для автолюбителей. Много времени уходит на чистку дорог от снега, возникает множество потенциально опасных ситуаций.
Если зима снежная, но не слишком морозная, помощь водителю могут оказать системы снеготаяния. Они выпускаются в виде греющего кабеля и коврика. Последний достаточно прост в установке для обогрева большой площади. Кабель же отличается максимальной гибкостью.
Обе разновидности имеют схожий принцип работы — нагревают дорожное полотно, не давая ему покрыться льдом и снегом. Талая вода от выпадающих твердых осадков затем испаряется, не успевая замерзнуть на поверхности дороги. Данные системы могут идти в комплекте с различными датчиками и элементами управления, определяющими температуру и влажность покрытия.
При этом можно обходиться без реагентов, опасных и вредных для людей, животных и автомобилей. Основные недостатки заключаются в малой глубине прокладки, в значительном энергопотреблении и в низкой эффективности в условиях суровых морозов. Впрочем, ведутся работы, направленные на устранение этих недочетов.
3. Заплатки для экспресс-ремонта
Дорожный ремонт, как правило, занимает большой период времени, вызывая затруднения движения и раздражая водителей. Специальные заплатки позволяют существенно сократить время ремонтных работ и упростить их.
Аэродром города Дулут, предназначенный для взлета и посадки истребителей F16, долгое время страдал от постоянно появляющихся на ВПП выбоин. И однажды осенью 2019 года руководство решило избавиться от этой проблемы, внедрив новую разработку — American Road Patch. Эти инновационные заплаты наложили вместо старых и тщательно утрамбовали. Благодаря наличию в данных изделиях гидроизоляционной и устойчивой к износу мембраны покрытие ВПП сохраняет свои качества даже после множества температурных перепадов и обильных осадков. Данные заплатки можно подвергать эксплуатационным нагрузкам сразу же после наложения.
К этой технологии проявили интерес и американские дорожники, и с тех пор технология активно применяется для быстрого ремонта участков загруженных автомагистралей. Заплатами можно латать ямы, выбоины и трещины в покрытии, ремонтировать уплотнения вокруг люков, водостоков и бордюров, сглаживать неровности мостовых соединений и т. д.
4. Самовосстанавливающиеся автодороги
Дорожный бетон при своей долговечности и прочности в некоторый момент начинает разрушаться и требовать ремонта. Ученые трех университетов (Кембриджа, Кардиффа, Бата) в попытках решить эту проблему разработали специальный самовосстанавливающийся состав.
Совместная работа исследователей в 2013 году дала результат — была создана особая «умная» бетонная смесь на основе цемента, в состав которой включили микроскопические капсулы со особыми бактериями. Данные микроорганизмы проявляют свою активность при попадании воды в полости основного материала. Результатом деятельности бактерий является кальцит, который должен надежно закупоривать образовавшуюся трещину до того, как кислород и вода проникнут внутрь бетона и достигнут металлической арматуры.
Эта инновационная технология способна сэкономить время, деньги и материалы, требующиеся для ремонта дорожного полотна.
Новые материалы для дорожного строительства
1. Кубовидный щебень
Технологии строительства автодорог в Европе отлично показали себя на практике. Для внедрения их в условиях российского севера и северо-запада потребовались собственные отечественные разработки. И совместное шведско-российское предприятие «NCC Петробетон», расположенное в Санкт-Петербурге, успешно реализовало свою инновационную идею.
Новое дорожное покрытие, разработанное данной компанией, содержит особый кубовидный щебень. Он производится в трех фракциях: от 3 до 5 мм, от 5 до 10 мм, от 10 до 14 мм. Для изготовления материала используются специальные дробильные узлы, где сырье дробится и отсеивается. Форма щебня приближена к кубической на 85%. Это дает возможность укладывать материал максимально плотно и таким образом обеспечивать стойкость получаемого покрытия к сколам, трещинам и деформациям.
Кубовидный щебень обладает следующими преимуществами перед стандартным асфальтобетоном:
- соответствие покрытия требованиям автодорог 1 категории;
- высокая долговечность дорожного полотна (в 3 раза выше, чем у асфальта);
- устойчивость к образованию колеи в условиях высоких нагрузок и температур;
- экономичность материала (расход щебня меньше на 20%, а битума — на 35%);
- высокая степень уплотнения покрытия при меньшем количестве проходов катка;
- снижение на 40% трудозатрат на общие строительные работы;
- снижение шума от проезда автотранспорта, увеличение коэффициента сцепления на 35%;
- повышение сопротивления сдвигу верхнего слоя, возникающему вследствие торможения и остановок автотранспорта.
2. Зимний асфальтобетон
Низкие температуры снижают пластичность асфальтобетонного покрытия, в результате чего при наличии нагрузок покрытие трескается. Поэтому специально для регионов Севера исследовательским институтом Союздор были разработаны требования ТУ-5718.030.0139369-99. Новые технологии дорожного строительства в соответствии с этим документом предусматривают включение в смесь кубовидного щебня из габбродолерита и стабилизированного битума. Входящие в состав полимерные добавки поддерживают пластичность асфальта при температурах до -20 градусов Цельсия. Покрытие может выдерживать до 400 циклов заморозки и разморозки.
Данную технологию впервые использовал «Центродорстрой» во время строительства федеральной трассы «Дон».
3. Фибробазальтовый шлакощелочной бетон
Эта модификация бетона обладает высокой подвижностью и функцией самоуплотнения. Имеет категорию морозостойкости F-300. Состав разрабатывался петербургскими учеными из военного инженерно-технического университета. Особенность бетона заключается в том, что в процессе смешивания основных ингредиентов в смесь постепенно добавляется базальтовая фибра, играющая роль арматуры. В результате получается высокопрочный бетон, стойкий к коррозионным процессам в кислой среде благодаря высокому содержанию в составе щелочей.
Основа дороги формируется грунтом, перед уплотнением увлажняемым раствором стабилизатора ANT с минеральными добавками (производится российской компанией «АНТ»). Грунт основания уплотняется вальцевым катком, одновременно с этим происходит цементация смеси. После этого на сформированную плотную основу укладывается асфальтовое покрытие толщиной 3-5 см. Такая дорога рассчитана на нагрузку транспорта до 10 тонн на ось, при том, что в процессе строительства экономится дорогостоящий асфальтобетон. Изношенный слой при необходимости можно заменить на более прочный. По сравнению с укладкой обычной асфальтобетонной дороги строительство таких трасс обходится на 30% дешевле и выполняется в несколько раз быстрее.
Зачастую эту технологию используют при обустройстве временных грунтовых автодорог и стройплощадок. Входящие в состав добавки исключают деформацию покрытия и образование пыли, при этом они абсолютно безвредны для почвы.
4. Компакт-асфальт
Технология, иначе называемая «двухслойный асфальт», была разработана компанией Kirchner. В ходе европейских испытаний, а также во время последующей многолетней эксплуатации состав показал свою надежность и эффективность.
Толщина верхнего слоя, обеспечивающего износостойкость благодаря включению вяжущего ингредиента, равна 2 сантиметра. Последующий слой обладает большей зернистостью и обеспечивает покрытию устойчивость к деформациям. Однако разработчики столкнулись с проблемой сцепления внутри двухслойной структуры. На границе двух слоев возникают наибольшие напряжения сдвига, поэтому особенное значение имеет техника укладки такого асфальта, когда оба слоя укладываются в один проход горячим методом. Покрытие затем уплотняется катком в несколько проходов. Нижний слой обладает высокой теплоемкостью и способствует медленному остыванию уложенного полотна, чем достигается повышенная плотность покрытия и его высокий показатель сцепления.
Для таких работ используется асфальтоукладчик Dynapac, оснащенный программным управлением для высокоточного контроля процесса. В результате получается идеально плоское дорожное покрытие, устойчивое к образованию колейности.
5 новых технологий дорожного строительства от отечественных компаний
- Укрепление слабых грунтов щебеночными сваями
Внедрение этой инновационной технологии сокращает сроки возведения 1 км трассы с 20-ти до 3-х дней. При этом себестоимость строительства снижается на 40%, а расход топлива для техники сокращается в 6 раз.
- Новые разновидности монолитного бетонного покрытия дорог и мостов
Федеральная магистраль М-11 возводится для движения транспорта со скоростью до 150 км/ч. Чтобы обеспечить комфортное прохождение мостов на высоких скоростях, строители используют сборные железобетонные пролетные элементы. Благодаря максимальной унификации этих строений обеспечивается высокая надежность мостов и гарантируется безопасность движения.
Гидроизоляция мостовых сооружений, а также защита от коррозии обеспечиваются с использованием новейших материалов и с внедрением современных технологий. В качестве примера последних при обустройстве дорожного полотна можно назвать упомянутый выше рециклинг. Эта технология заключается в снятии верхнего слоя старого асфальта, дроблении его и перемешивании с вяжущими составами. Благодаря этому существенно экономятся средства и трудозатраты на транспортировку новых материалов и утилизацию старых. Для увеличения прочности такого полотна выполняется армирование полиэфирными и стекловолоконными дорожными геосетками.
- Новые стройматериалы для возведения новых и ремонта существующих дорог с приданием последним улучшенных химических свойств
Смягчение асфальтобетона и повышение его эластичности в условиях минусовых температур достигается включением в битум полимерных добавок. Благодаря этому при 20 градусах Цельсия материал становится мягче в 2-2,5 раза. Добавление в дорожную подушку слоя из геотекстиля позволяет минимизировать растрескивание дорожного покрытия. В целом, природные материалы постепенно замещают синтетическими при строительстве дорог.
- Обеспечение пассивной безопасности
Специальные препятствия действуют на водителей куда более убедительно, нежели штрафы. К таковым можно отнести пешеходные переходы в виде бетонных блоков, выступающих над покрытием проезжей части на 10-15 см, а также «шумовые полосы» — нанесенные на асфальт пластиковые элементы, издающие под колесами автомобилей предупреждающий шум. Данное решение реализовано во многих российских городах. В Европе же решили внедрить южнокорейскую технологию «виртуального пешехода» — трехмерных лазерных проекций людей в местах пешеходных переходов. Стоит отметить, такая реализация обходится дешевле, чем установка стандартных светофоров.
- Экологичные и экономичные материалы
Золоотходы ТЭЦ можно с успехом использовать при обустройстве дорожной подушки. При этом существенно экономятся материалы для строительства дороги, решается острая проблема утилизации зол. В том же качестве применяются и другие отходы производства (например, металлургические шлаки). Для нейтрализации шумового загрязнения вдоль возводятся специальные барьеры, поглощающие шум.
Здесь приведена лишь малая доля отечественных решений, которые могут кардинально изменить представление о российских дорогах в лучшую сторону. Но для этого необходимо достаточное финансирование и ослабление существующих бюрократических препонов.
Цифровые технологии дорожного строительства
- «Умная» дорога
Близится время массового появления на дорогах России беспилотных автомобилей. Для этого предварительно потребуется соответствующим образом изменить всю дорожную инфраструктуру. Как минимум, необходимо связать транспортные средства с элементами дорожной сети для геопозиционирования. Причем, эта связь должна обеспечиваться в реальном времени. Дороги также придется оснастить компьютеризированной системой видеонаблюдения.
Следить за ситуацией на проезжей части помогут датчики. На них же ляжет часть других водительских функций. Это в перспективе минимизирует количество аварий на дорогах и откроет горизонты для непрерывной оптимизации транспортных потоков.
- Цифровая модель
Существует технология BIM (Building Information Modeling), позволяющая моделировать полноразмерную автотрассу, включающую в себя все развязки и мостовые переходы. Трехмерная модель не только отобразит дорогу в реальном масштабе, но также позволит заранее провести полноценный анализ параметров и характеристик трассы. Это в свою очередь поможет скорректировать стоимость проектирования и строительства, причем, намного быстрее по сравнению с прежними методиками.
Технология BIM использовалась, например, при возведении автодорожного моста Сутун через реку Янцзы в Китае. Протяженность мостового перехода составила 57 км. Подобным образом моделировался и недавно построенный мост через Керченский пролив.
- «Умная» техника
Главная задача дорожной техники с искусственным интеллектом — создавать сложную многослойную структуру дорожной одежды, от самого основания до финишного асфальтобетонного покрытия. Здесь также потребуется трехмерное моделирование, которое позволит создавать проекции создаваемых поверхностей. Каждый этап строительства выполняется с использованием соответствующей «умной» техники, исключающей влияние человеческого фактора, обеспечивающей максимальную безопасность операторов. При этом один оператор может эффективно управлять сразу несколькими такими агрегатами.
Новые технологии дорожной инфраструктуры
Надземные переходы из композитных материалов делают оживленные магистрали безопаснее для пешеходов. К другим эффективным мерам обеспечения безопасности стоит отнести интеллектуальные системы видеонаблюдения, оснащенные функциями распознавания автомобильных номеров, автоматизированного учета транспортных потоков, выявления посторонних предметов на проезжей части и т. п.
Огромную роль играет освещение. Присутствующие на отечественном рынке светодиодные уличные приборы более энергоэффективны и долговечны по сравнению с обычными городскими фонарями. К тому же они экологичны, так как не содержат ртуть.
Дорожная разметка также должна обеспечивать безопасность водителей. Но в условиях плохой видимости разметку бывает сложно распознать, что повышает риск аварийных ситуаций. Наилучшую заметность обеспечивает использование термопластика.
Новые технологии дорожного строительства включают в себя применение высококачественных материалов и новейшего строительного оборудования, а также внедрение новых идей в данной сфере. Благодаря грамотному использованию технологических новшеств российские строители дорог могут уже в ближайшее время кардинально улучшить качество отечественных дорог.